Intel e AMD: 40 anni di generazioni CPU x86 a confronto Panoramica sulle principali architetture CPU x86 realizzate da Intel e AMD dal 1978 (80086) al 2021 (Sunny Cove / Ryzen 5000 Vermeer)

Questo articolo, parte di una serie di approfondimenti dedicati all'architettura dei calcolatori, è dedicato a ripercorrere la storia dei microprocessori prodotti dalle due multinazionali che hanno dominato il mercato CPU consumer, workstation e server negli ultimi 40 anni: Intel e Advanced Micro Devices (meglio nota con l'acronimo AMD).

Come avremo modo di leggere, si tratta di na lunga serie di iterazioni tecnologiche (note come generazioni) tutte convenzionalmente riconducibili alla macro-architettura x86, della quale abbiamo già avuto modo di parlare nell'approfondimento dedicato alle componenti hardware di un calcolatore.

Intel Corporation

La Intel Corporation, meglio nota come Intel, è un'azienda multinazionale statunitense fondata nel 18 luglio 1968 con sede a Santa Clara (California); è stata fondata nel 1968 da Robert Noyce e Gordon Moore, due ingegneri provenienti dalla Fairchild Semiconductor, con il nome di Integrated Electronics Corporation (poi abbreviato in Intel Corporation). Nei primi anni di attività l'azienda si occupò principalmente della produzione di componenti per memorie, divenendo rapidamente leader di mercato per la produzione di memorie DRAM, SRAM e ROM.

Dalle memorie alle CPU

L'approdo al mercato delle CPU arrivò nel 1971 quando Marcian Hoff, Federico Faggin, Stanley Mazor e Masatoshi Shima costruirono il primo microprocessore, l'Intel 4004. Nel 1973 la Intel registrò vendite per 66 milioni di dollari, in gran parte dovuti al successo della CPU: fu subito chiaro che i microprocessori sarebbero ben presto diventati il core business aziendale.

La transizione della produzione dalle memorie alle CPU fu completata nel 1983, sotto la guida dell'allora presidente Andy Grove: in quell'anno la costruzione di memorie fu abbandonata per concentrarsi sulla produzione di microprocessori. I dettagli del processo di transizione furono poi raccontati dallo stesso Andy Grove nel libro Only the Paranoid Survive, un testo fondamentale per comprendere una delle leggi fondamentali del mercato consumer: non è l'azienda (owner) a scegliere il prodotto che deve produrre, ma il consumatore (buyer).

L'accordo con AMD

Un elemento chiave del processo di transizione operato dalla Intel fu il lancio del processore Intel 8086, che nel 1982 venne scelto per i PC IBM alla condizione (imposta da IBM) di avere una seconda fonte di produzione: questa "seconda fonte" viene individuata nell'azienda Advanced Micro Device, meglio nota come AMD, che con uno scambio di licenze e un accordo commerciale stipulato ad-hoc diviene il secondo fornitore di processori 8088 e 8086 per i PC IBM. Gli accordi tra Intel e AMD - stipulati nel 1976 e ulteriormente dettagliati nei primi anni '80 - consentivano a ognuna delle due aziende l'utilizzo delle tecnologie brevettate dal concorrente senza dover richiederne il consenso. La Intel non poteva ancora saperlo, ma quegli accordi avrebbero generato una catena di eventi che sarebbero risultati nella nascita del principale competitor di mercato dell'azienda per molti decenni successivi.

Intel Architecture Labs

Tra la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90 l'allora vicepresidente Intel Ron Whittier, insieme a Craig Kinnie e Steven McGeady, decide di creare una divisione di ricerca e sviluppo interna all'azienda da dedicare allo sviluppo di soluzioni hardware e software innovative: il progetto porta alla nascita della Intel Architecture Labs (IAL), che da quel momento in avanti fu responsabile della maggior parte delle innovazioni hardware dei personal computer, fra cui il bus PCI, il bus PCI Express, lo standard USB e le prime architetture per server multiprocessori (SMP).

La nascita del Pentium

Un passaggio significativo nella storia della Intel avviene nel 1993, anno in cui viene lanciato il Pentium, CPU capostipite di una famiglia di microprocessori che proietteranno l'azienda nell'olimpo delle multinazionali più quotate del pianeta. In conseguenza del boom di vendite legate alla commercializzazione dei Pentium, la Intel dovette però affrontare anche una serie di cause da parte delle autorità antitrust, che accusarono Intel di aver creato un regime di monopolio pressoché totale nel mercato dei processori x86.

Il monopolio della Intel nel mercato delle CPU sarà comuque destinato a finire nel giro di pochi anni grazie allo sforzo produttivo compiuto dalla Advanced Micro Device (AMD) e alle CPU sempre più competitive immesse da quest'ultima sul mercato.

Dagli anni 2000 al periodo attuale

L'arrivo della AMD non impedisce alla Intel di diventare il leader di mercato dei microprocessori consumer, workstation e server, anche grazie alla domanda sempre più elevata: sono gli anni della diffusione di Internet e della moltiplicazione esponenziale dei device, non soltanto in ambito PC desktop ma anche nel settore laptop, quindi nel mobile (Smartphone) e infine negli innumerevoli scenari embedded (periferiche di rete, domotica/Internet of Things, Industry 4.0, Smart TV, etc.).

Gli utili della multinazionale, in massima parte legati al mercato dei microprocessori, vengono costantemente reinvestiti con l'obiettivo di tenere il passo su altri aspetti paralleli: nel settembre del 2007 l'azienda decide di acquisire Havok, una software house nota in ambito software per lo sviluppo dell'omonimo motore fisico utilizzato in decine di videogiochi di (allora) ultima generazione; nel 2008, assieme ad STMicroelectronics e Francisco Partners, fonda la Numonyx, un'azienda produttrice di memorie non volatili (NOR e NAND) a semiconduttore e ricercatrice nel campo delle tecnologie di memorizzazione emergenti; nel 2015 entra inoltre nel mercato dei droni, avviando partnership con Qualcomm, DJI e Ryze Robotics.

Il dominio pressoché incontrastato della Intel nel mercato delle CPU consumer subisce una significativa battuta di arresto nel 2020, anno in cui la Apple annuncia la sua volontà di interrompere la collaborazione con Intel e lancia il progetto Apple Silicon: questo significa che, dopo un breve periodo di transizione, la Intel cesserà di fornire le sue CPU alla società di Cupertino, attualmente utilizzate soprattutto all'interno dei computer portatili (MacBook e MacBook Pro); alla fine dello stesso anno avviene inoltre un significativo sorpasso in termini di performance tra la CPU di punta della Intel (Core i9 10900K Comet Lake-S) e il processore top gamma della AMD (Zen3 Ryzen 5600X), che riesce a imporsi sul competitor in termini di prestazioni sia sul 1080p che sul 1440p nonostante un prezzo notevolmente inferiore (300$ contro i 490$ della Intel).

Processori

In questo paragrafo cercheremo di riassumere le principali architetture di processori commercializzate da Intel, complessivamente riconducibili a due macro-architetture: x86 (nelle sue numerossime varianti, a loro volta suddivise all'interno delle categorie x86-16, x86-32 e x86-64) ed EPIC.

Intel x86

Il termine x86 è una locuzione generica per indicare un'architettura di una famiglia di microprocessori sviluppata e prodotta da Intel nel periodo compreso tra il 1978 (8086) e il periodo attuale (Sunny Cove), passando per una serie di micro-architetture che tracciano un percorso evolutivo che ha dominato il mercato dei microprocessori per oltre 40 anni.

L'architettura x86 è nota anche con una serie di sigle successive, diffuse in conseguenza delle innovazioni tecnologiche compiute nel corso delle varie generazioni dei processori:

• x86-16 per le CPU a 16-bit.
• x86-32 e IA-32 per quelle a 32-bit.
• x86-64 o IA-64 per quelle a 64-bit.

Segue un elenco dei nomi delle principali microarchitetture di processori commercializzate da Intel nel corso delle varie iterazioni (note come generazioni) dell'architettura x86:

• 8086 (1978): il primo microprocessore a 16 bit progettato da Intel, che diede origine all'architettura x86. Basati sui precedenti 8080 e 8085, i processori 80086 erano compatibili con l'assembly dell'8080, avendo un insieme di registri simili, ma con un'architettura a 16 bit. La Bus Interface Unit (BIU, ovvero unità di interfaccia con il bus) passava le istruzioni alla Sequential Post Processing Execution Unit (SEPPE) attraverso una coda FIFO di prefetch di 6 byte, in modo che il fetch e l'esecuzione delle istruzioni fosse contemporaneo, come una forma primitiva di pipelining. Le istruzioni dell'8086 avevano una dimensione tra 1 e 6 byte.
• 8088 (1979): microprocessore derivato dall'Intel 8086, con cui condivideva l'architettura interna a 16 bit ed il bus indirizzi a 20 bit, grazie al quale era in grado di indirizzare 1 MB di memoria, ma da cui si differenziava per il bus dati a soli 8 bit (la metà di quello dell'8086): per questo motivo, nonostante si trattasse di un modello più recente, i PC basati su CPU 8088 avevano prestazioni complessive inferiori a quelli equipaggiati con il suo predecessore.
• 80186 (1982): Pensati come un miglioramento dei modelli 8086 e 8088: come l'8086, questi processori avevano un bus dati a 16 bit e un coprocessore matematico, l'80188, con un bus dati a 8 bit. Furono generalmente usati come processori embedded per microcontroller, mentre ebbero poca fortuna nel mercato dei personal computer con qualche eccezione di pregio nei PC utilizzati nelle scuole e negli uffici: il Mindset, il Compis, l'RM Nimbus, il Tandy 2000.Una caratteristica principale dei processori serie 80186/80188 era di ridurre il numero di chip richiesti includendo elementi come il DMA controller, l'interrupt controller, i timer ed il chip select logic.
• 80286 (1982): in grado di offrire prestazioni doppie per ciclo di clock rispetto ai precedenti 8086, questi processori avevano un bus dati a 16 bit e due bus di indirizzi (rispettivamente da 4 e da 20 bit) che li rendevano in grado di sfruttare fino a 16 MB di RAM, al contrario del singolo MB indirizzabile dall'8086. Furono inoltre i primi processori con il prefetching delle istruzioni.
• 80386, noti anche come i386 (1985): furono i primi processori ad essere distribuiti in maniera esclusiva dalla Intel: fino a quel momento ogni componente basato su semiconduttori veniva distribuito dal proprietario del progetto e da alcune aziende licenziatarie. L'esclusività di questo processore diede un grande controllo alla Intel sul suo sviluppo e garantì all'azienda crescenti profitti. Questo "monopolio" fu rotto nel marzo 1991 dalla AMD, che dopo aver superato alcuni ostacoli legali riuscì a introdurre il suo processore compatibile Am386, facendo così venir meno l'esclusività della Intel.
• 80486, noti anche come i486 (1989): simili ai processori i386 dal punto di vista software, presentavano però numerose differenze lato hardware, tra cui: una memoria cache L1 interna di 8 KB SRAM, un'ulteriore unità di calcolo in virgola mobile (nelle versioni DX, DX2 e DX4), una bus interface unit migliorata, e le caratteristiche di Power management e SMM (System Management Mode) che divennero uno standard nelle microarchitetture successive. Questi miglioramenti permisero all'80486 di offrire prestazioni quasi doppie a quelle dei precedenti i386, a parità di frequenza di clock.
• P5 (1993), noti anche come i586: Architettura superscalare, data path a 64-bit, supporto per le istruzioni MMX soprattutto, una Floating-Point Unit estremamente più veloce di quella montata sul precedente i486: potendo eseguire più istruzioni per singolo ciclo di clock, i nuovi "Pentium" offrivano prestazioni quasi raddoppiate rispetto a una CPU i486 di pari frequenza.
• P6 (1995), noti anche come i686: 65nm. Speculative execution & out-of-order completion (commercializzata con il nome di dynamic execution da Intel), Superpipelining, Physical Address Extension, CMOV, FCMOV, FCOMI/FCOMIP/FUCOMI/FUCOMIP, RDPMC, UD2.
• NetBurst (2000, Pentium IV): 65nm. Hyper-threading, Quad-Pumped Front-Side Bus, Rapid Execution Engine, Execution Trace Cache, Branch prediction hints.
• Core (2006): 65/45nm.  Dual Core, linked L1 cache, shared L2 cache. Appartengono a questa microarchitettura le famiglie di processori Core 2 Duo e Core 2 Extreme.
• Nehalem (2008): 45/32nm.  Controller RAM integrato, Simultaneous Multi-Threading, Cache a 3 livelli (Cache L3), Translation Lookaside Buffer (TLB).
• Sandy Bridge (2010): 32/22nm. GPU integrata, Advanced Vector Extension (AVX). Nella versione migliorata (Ivy Bridge , 2012) le dimensioni sono passate a 22nm e sono stati introdotti numerosi miglioramenti, tra cui: Transistor 3D, PCI Express 3.0 con raddoppio di banda e 16 linee per supportare le nuove tecnologie CrossFireX (ATI) e SLI (NVidia) che prevedono l'utilizzo di una doppia scheda video.
• Haswell (2013): 22/14nm. Nuove tecnologie di cache, maggior controllo delle frequenze operative, miglioramento dei consumi, nuovo set di istruzioni Advanced Vector Extension 2 (AVX2), maggiori opzioni di modularizzazione del comparto grafico integrato (con modelli quad-core + 1 GPU o dual-core + 3 GPU).
• Skylake (2015) 14nm. Supporto HDMI 2.0, connettività HDCP 2.2; questa generazione segna inoltre, dopo oltre 10 anni, l'aumento del numero di core per i processori Intel del segmento mainstream. Nell'ottava generazione, il Core i7 sale a 6 core / 12 thread, l'i5 a 6 core / 6 thread mentre l'i3 a 4 core / 4 thread.
• Sunny Cove (2019):  10nm. Le caratteristiche principali di quest'ultima generazione di processori x86 includono: un aumento del 18% delle IPC (Instructions Per Clock) a parità di frequenza e memoria; un aumento delle dimensioni della cache L1 (32KB/48 KiB) e L2 (512 KiB); una funzionalità di Dynamic Tuning migliorata (Dynamic Tuning 2.0), che consente alla CPU di operare alle frequenze turbo per periodi di tempo maggiori; sei nuovi tableset di istruzioni VX-512 (VPOPCNTDQ, VBMI2, BITALG, VPCLMULQDQ, GFNI e VAES); la nuova funzionalità Intel Deep Learning Boost, utilizzata per ottimizzare le operazioni di machine learning e artificial intelligence.

L'architettura x86 è talmente ampia da abbracciare tipologie di microprocessori aventi caratteristiche molto diverse tra loro: ad esempio, tutta la prima serie di famiglie (da 8086 a 386) erano caratterizzate da un'architettura e un istruction set CISC, mentre i processori più recenti (a partire dal 486 e, soprattutto, dal Pentium IV) hanno un approccio via via sempre più ibrido, in quanto presentano un istruction set CISC ma una core architecture RISC, con l'obiettivo di beneficiare delle caratteristiche migliori di entrambe le architetture.

EPIC

Oltre all'architettura x86 la Intel è nota per aver sviluppato l'architettura EPIC, acronimo per Explicitly Parallel Instruction Computing. Si tratta di un paradigma architetturale per microprocessori sviluppato verso la fine degli novanta in collaborazione con HP con l'obiettivo di superare le limitazioni delle architetture precedenti (per lo più basate su istruction set CISC e core architecture RISC) e che ha portato allo sviluppo dell'architettura dell'Intel IA-64, utilizzata nei processori Itanium e Itanium 2.

Advanced Micro Devices

Passiamo dunque alla già citata Advanced Micro Devices (AMD), fondata nel 1975 a Sunnyvale da Jerry Sanders e attualmente il secondo leader mondiale nella produzione di CPU per il mercato consumer, workstation e server.

Gli anni 80

L'impatto della AMD nel mondo dei processori inizia nei primi anni '80, quando la company si impone come uno dei principali concorrenti di Intel nel mercato dei processori x86-compatibili, raddoppiando il fatturato dal 1979 al 1981. Il vero salto di qualità avviene però nel 1991, quando l'azienda riesce a rompere il dominio di mercato della Intel sulla produzione degli x86 e lancia i processori Am386, seguiti dopo due anni dagli Am486.

Gli anni 90

Gli anni '90 segnano una vera e propria rivoluzione per la AMD, che parallelamente allo sviluppo dei processori compie un forte sforzo nella ricerca e nell'innovazione sulle memorie: dalle EPROM, alle EEPROM ed infine alle memorie Flash, la compagnia riesce a mettere a segno traguardi fondamentali nel campo della miniaturizzazione dei componenti, riuscendo a restare al passo di Intel e ad erodere importanti quote di mercato.

Il punto di svolta di questo percorso di miglioramento interno si ha verso la metà degli anni novanta, quando AMD propone la serie di processori AMD K6, poi ulteriormente perfezionati nelle famiglie AMD K6-II, quindi AMD K6-III e infine, nel 1999, all'Athlon. Si tratta di CPU economiche, efficienti e altamente competitive, che consentono a AMD di diventare una alternativa reale a Intel in ambito PC desktop e workstation.

Gli anni 2000

Nel 2000 AMD annuncia l'uscita dei propri processori per PC portatili AMD K6-II+ e AMD K6-III+, che consentono all'azienda di Sunnyvale di imporsi anche nel mercato dei laptop; verso la fine dell'anno è la volta del Chipset AMD-760, con supporto alle memorie DDR e, soprattutto, del primo storico sorpasso della Intel in termini di velocità di CPU, con un nuovo Athlon che sorpassa - per la prima volta nella storia - la "soglia psicologica" di 1 GHz di clock.

Parallelamente al mercato CPU la AMD piazza un altro importante colpo nell'ambito delle memorie Flash: i traguardi conseguiti dal reparto di R&D sul finire degli anni '90 consentono infatti il lancio delle memorie 32-megabit Am29BDS323 e 64-megabit Am29BDS643, con le quali l'azienda pone le basi per le future memorie Flash per cellulari e lettori MP3 portatili.

Il 2001 è l'anno dei processori Athlon XP (segmento desktop) e Athlon MP (fascia server/workstation), su motherboard caratterizzate dalla presenza di più di un processore. Nel 2002 nasce inoltre l'AMD Developer Center, un canale diretto con i propri partner per accelerare la ricerca di software ed hardware a sostegno di AMD.

Negli anni compresi tra il 2003 e il 2005 la AMD lancia altre famiglie di processori, tra cui: AMD Opteron a 64-bit (per il segmento server), Athlon 64 e Athlon 64 FX (ambito desktop), Sempron e Turion (destinati a soluzioni entry-level e/o mobile) e i primi processori dual-core, uno dei quali - l'Athlon 64 X2 - riuscirà a imporsi, per prestazioni, sul competitor diretto della Intel.

Nel 2006 AMD acquista la ATI Technologies, azienda leader nel settore delle schede video: l'acquisizione, costata 5.4 miliardi di dollari, viene finanziata emettendo obbligazioni convertibili per 2.2 miliardi di dollari e rappresenta ad oggi il più importante investimento della multinazionale. Questa esposizione comporterà, nel corso dei due anni successivi, all'acquisizione di una parte del capitale sociale (8,1%) da parte una società di Abu Dhabi, e a una svalutazione di 1,6 miliardi di dollari legata proprio alle performance della controllata ATI Technologies.

Il periodo attuale

I problemi finanziari connessi all'acquisizione di ATI hanno provocato ad AMD una serie di difficoltà, rendendo la competizione con Intel sempre più difficoltosa. Per un altro importante punto di svolta occorre attendere il 2017, anno in cui viene presentata la nuova serie di processori AMD Ryzen per il nuovo socket AM4, con moltissime varianti (8Core/16Thread, 6Core/12Thread, 4Core/8Thread, 4Core/4Thread).

La nuova famiglia di processori Ryzen, basati sull'innovativa architettura Zen, incassa recensioni entusiastiche e registra subito ottimi riscontri di mercato grazie a un rapporto prezzo/prestazioni estremamente competitivo, riuscendo a mettere in difficoltà il competitor Intel come non avveniva da anni. Il rinnovato interesse per le CPU AMD nel mercato desktop consente all'azienda di mettere a segno altri risultati importanti nel corso degli anni successivi, che culminano nel 2020 con la commercializzazione del Ryzen 5600X (su architettura Zen3); il nuovo processore riesce a imporsi sulla CPU Core i9 10900K Comet Lake-S della Intel  nonostante un prezzo notevolmente inferiore (300$ contro i 490$ della Intel).

Processori

In questo paragrafo cercheremo di riassumere le principali architetture di processori commercializzate da AMD.

Architetture AMD

Signetics (1974), Am2900 (1975) e 29000 (1987).

x86

Questa macro-categoria racchiude tutte le famiglie di processori AMD basati su architettura x86 ( prodotti su licenza Intel nel periodo 1974-1979 e quelli prodotti successivamente) e/o compatibili con essa (dal K5 in poi). Per maggiori dettagli su questa architettura, si veda il paragrafo dedicato a Intel Corporation.

• 8086, 8088, Am286, Amx86 (1991–95): si tratta delle famiglie di processori a 16 bit costruiti sotto contratto con Intel (vedi il corrispettivo Intel).
• Am386 (1991): sviluppato come competitor dell'Intel i386.
• Am486 (1993): sviluppato come competitor dell'Intel i486.
• Am5x86 (1995): sviluppato come competitor dell'Intel i586 poco prima dell'avvento del K5.
• K5 (SSA5/5k86, 1995): microprocessore compatibile x86 sviluppato da AMD per competere direttamente con le famiglie Pentium e Pentium Pro della Intel. Si trattava di un processore basato sull'architettura RISC dell'Am29000, uno dei primi processori RISC prodotti da AMD negli anni '70, con una unità di transecodifica delle istruzioni x86.
• K6 (NX686/Little Foot, 1997).
• K7 (1999): architettura che consente la nascita dei processori appartenenti alle famiglie Athlon (1999), Duron (Spitfire / Morgan / Applebred, 2000), Athlon XP (Palomino / Thoroughbred (A/B) / Barton / Thorton, 2001), Sempron (2004).
• K8 (2003): architettura che consente la nascita dei processori appartenenti alle famiglie Opteron (SledgeHammer, 2003), Athlon 64 FX (SledgeHammer, 2003), Athlon 64 (ClawHammer/Newcastle, 2003), Athlon 64 X2 (Manchester, Toledo, Taylor, Windsor, Brisbane, 2005-2006), e ulteriori miglioramenti delle CPU Sempron e Opteron.
• K10 (2007): architettura che consente la nascita dei processori appartenenti alle famiglie Phenom X4 (2007), Athlon serie 6 (2007), Phenom II (2010), Athlon II (2010), Turion II (2010).
• Bulldozer (2011): architettura che consente la nascita dei processori appartenenti alle famiglie AMD FX (2011) e AMD Fusion (2014).
• Zen (2017-presente): architettura che consente la nascita dei processori appartenenti alla famiglia Ryzen (2017-2021).
• Zen+, Zen2, Zen3: miglioramenti dell'architettura Zen che consentono la nascita dei processori Ryzen più recenti.

Conclusioni

Siamo giunti alla fine di questa panoramica: ci auguriamo che questa rassegna storica sia stata di vostro gradimento. Per approfondire altri aspetti legati al funzionamento dei microprocessori e delle varie componenti dei computer vi consigliamo di leggere la nostra serie di approfondimenti dedicata all’architettura dei calcolatori.

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